Demonstre como funciona o espectrômetro de massas, um aparelho capaz de separar átomos e moléculas de acordo com as suas massas, usando um modelo simples.
Faça o seu
Vamos usar chapas de MDF cru para montar o simulador de espectro de massas. Para a base, vamos usar uma chapa de 6 mm de espessura, na qual vamos cortar um retângulo de 40 x 30 cm, a parte central da rampa e os pés que irão levantar a base da mesa. Usando uma chapa de 3 mm de espessura, vamos cortar as peças que irão servir de bordas para a base, bem como as laterais da rampa.
No desenho da base, nós já colocamos os furos para prendermos a rampa e um círculo que será gravado no MDF para se colar os dois ímãs de neodímio de 15 mm. A face onde nós gravamos o círculo para os ímãs ficará voltada para baixo.
Os arquivos estão no Thingiverse para download. Lá você encontra um arquivo apenas para as peças feitas em MDF de 3 mm e outra para as feitas com MDF de 6 mm.
Usamos esferas de aço de tamanhos diferentes para soltar na rampa. Procure soltar as esferas sempre da mesma altura para comparar os resultados. Peça para os alunos observarem o local onde as bolinhas batem na parede do modelo.
Como usar nas suas aulas
Eu uso esta demonstração quando estamos discutindo as massas atômicas que aparecem na tabela periódica dos elementos. A massa atômica é o resultado de uma média ponderada das massas de todos os isótopos de um elemento. Mas para se calcular a média ponderada precisamos saber qual é a abundância relativa dos isótopos (quanto de cada isótopo existe na natureza).
Daí vem a pergunta: como os cientistas sabem que determinado isótopo corresponde a tantos porcento dos átomos de um elemento? Para medir isso você precisa separar e contar quantos átomos de cada massa estão presentes em uma amostra do elemento. Isso parece uma tarefa impossível, mas nem tanto: basta você ter acesso a um espectrômetro de massas. Famos mais sobre como ele funciona na próxima seção.
Você pode demonstrar o comportamento das esferas de aço para os alunos, pedindo para que eles descrevam o que está acontecendo e qual é o padrão observado. Eles devem conseguir perceber que as bolinhas maiores sofrem um desvio menor que as bolinhas pequenas. Mostre a eles o que temos um ímã embaixo da base, bem próximo da trajetória das bolinhas. Discuta com eles como a presença do ímã explica o padrão observado.
Você pode então fazer a analogia entre o modelo observado e o aprelho que consegue separar os átomos pelas suas massas e explicar como é possível então ter um detector que mostra quantos átomos têm uma determinada massa, e com isso conseguimos calcular a massa atômica ponderada.
O que é um espectrômetro de massas?
Um espectrômetro de massas é um aparelho que consegue separar átomos e moléculas a partir de suas massas. Mas como ele faz isso?
Em primeiro lugar, o material que será analisado deve estar no estado gasoso. Por isso, muitas vezes o especro de massas é usado como um detector da cromatografia gasosa, uma técnica de separação que usa uma coluna para separar os compostos de uma mistura. À medida que os compostos saem da coluna, vão para o espectrômetro de massas. No interior do aparelho é feito um vácuo, removendo ao máximo o ar do caminho da amostra. A amostra em seguida é ionizada, ou seja, elétrons são arrancados dos átomos ou moléculas. No caso dos átomos, isso praticamente não altera a sua massa, mas faz com que eles tenham uma carga elétrica. Partículas carregadas sofrem uma força ao passarem por um campo magnético. Assim, da mesma forma que as esferas de aço foram atraídas pelo ímã embaixo da base do nosso modelo, os átomos no espectrômetro de massas são desviados da sua trajetória. O quanto eles são desviados depende da sua massa, pois é necessário uma força maior para desviar átomos pesados do que átomos mais leves. O aparelho permite então que separemos os átomos e mais, conseguimos descobrir qual é a massa dos átomos e quanto tem de cada átomo na amostra.
Quando injetamos moléculas no espectrômetro de massas, podemos ter ainda mais informações: ao ionizarmos a molécula, ela fica instável e se quebra em diversos fragmentos. Conhecendo a massa desses fragmentos, os químicos podem estabelecer qual é a estrutura da molécula. Além disso, o padrão com que a molécula se quebra é algo único para aquela estrutura, e assim podemos usá-lo para identificar a molécula, comparando com um banco de dados de moléculas conhecidas. Isso é usado, por exemplo, para identificar a presença de substâncias “proibidas” no exame anti-doping de cometições esportivas.
Finalmentes
Este é um experimento muito simples e interessante, mas que demonstra um princípio muito interessante. Professores de física podem usá-lo para falar sobre a inércia e como a força magnética atua nas bolinhas de aço.
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